Nano- und Pikokräfte messen


Kleinste Kräfte bis hinunter zu wenigen Nano- oder gar Pikonewton zu messen ist eine Aufgabe für Mediziner oder Biologen, die einzelne Zellen untersuchen, aber auch für Chemiker, die die Bindungskräfte zwischen einzelnen Molekülen ermitteln wollen. Daher ergeben sich neue Anforderungen an die entsprechenden Messgeräte wie Tastschnittgeräte oder Rasterkraftmikroskope: Ihre Tastkräfte müssen immer genauer und zuverlässiger eingestellt werden.

Um derartig kleine Kräfte zu messen, wurde in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) ein Prototypsystem entwickelt und erfolgreich erprobt. Sein Messprinzip beruht auf einem Scheibenpendel, das von der zu messenden Kraft ausgelenkt wird. Die Auslenkung wird elektrostatisch mit Hilfe von äußeren Kondensatorelektroden kompensiert, gemessen wird die aufzuwendende Spannung.

Zu dieser elektrostatischen Kraftkompensation kommt die elektrostatische Steifigkeitsreduktion: Indem die Eigensteifigkeit des Pendels von 0,13 N/m auf 0,007 N/m verringert wird, erhöht sich die Empfindlichkeit des Systems. Um störende seismische Schwingungen und thermische Driften zu kompensieren, ist neben dem eigentlichen Messsystem ein zweites, identisches Referenzsystem angebracht.

Erste Langzeitmessungen an Luft über einen Zeitraum von 3 Stunden ergaben ein Rauschen (Standardabweichung) der Messeinrichtung von 160 pN (Tiefpassfiltergrenzfrequenz: 0,02 Hz).

Die neue Anlage ergänzt die kürzlich in Betrieb genommene PTB- Kraftnormalmesseinrichtung zur rückführbaren Kalibrierung von Kräften im mN-Bereich. Sie soll zukünftig noch für die Messung von pN-Kräften optimiert werden, wofür allerdings ihre Empfindlichkeit noch weiter verbessert werden muss. Theoretische Analysen ergaben eine erreichbare Kraftauflösung von 1 pN.

COMPAMED.de; Quelle: Physikalisch-Technische Bundesanstalt